生物降解地膜性能及对棉花产量的影响评价研究

2019-04-29冯欢何文清张凤华刘琪吕军刘晓伟

生态环境学报 2019年3期

冯欢，何文清*，张凤华，刘琪，吕军，刘晓伟

1. 石河子大学，新疆石河子 832003；2. 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所/农业部旱作节水农业重点实验室，北京 100081；3. 石河子农业科学研究院，新疆石河子 832003

新疆属于典型绿洲农业区，水资源是限制该地区作物生长的主要因素（Debaeke et al.，2004）。20世纪80年代，地膜覆盖技术开始在新疆推广应用，由于覆盖地膜可以改善土壤水热状况，控制杂草，提高作物品质（Subrahmaniyan et al.，2012；江燕等，2014），其使用量及覆盖面积快速增长，截至2016年，地膜使用量及覆盖面积分别为22.87万吨和340.52万公顷（国家统计局，2017）。地膜已经成为新疆农业生产重要的生产资料之一。然而普通地膜主要成分为聚乙烯，具有不易分解、降解周期长等特性，故随着地膜投入时间及投入量增加，残留在土壤中的地膜越来越多，地膜残留会影响作物出苗率及产量，降低土壤养分，促进土壤次生盐渍化，造成环境污染（Briassoulis，2006；Scarascia- Mugnozza，2004；Liu et al.，2014；赵岩等，2017）。

可降解地膜被认为是解决残膜污染的重要途径之一。国内外研究应用的可降解地膜主要有生物降解地膜、光降解地膜、光/生降解地膜、植物纤维地膜、液态喷洒地膜。植物纤维地膜以天然可再生高分子纤维素为材料，可以实现废弃资源再利用（纤维素大量存在于绿色植物中，每年近 89%的天然纤维素被浪费），但是由于其地膜厚度及透明度等指标未达到与普通地膜相当的程度，目前仍处于试验研发阶段（贾珊珊等，2011；李丽霞等，2012）。光降解地膜由于受外在因素制约较大，其埋入土壤的部分不能被降解，故其应用受到制约。光/生降解地膜降解后会形成塑料小颗粒，且人工不易清除，不利于农业的生态发展。液态喷洒地膜可喷洒于土壤表面后形成黑色环保固化膜，具有保墒保水作用，在微生物作用下可在一定时间内可自然分解为有机肥，提高土壤肥力，环保无污染（周昌明等，2016），但风吹、日晒等作用易造成液态地膜提前破损降解，削弱地膜保墒保水能力，最终会影响作物产量及质量（金虹等，2017）。与液态地膜相比，生物降解地膜覆盖下葵花产量及干物质量增加更为显著（胡敏，2018）。生物降解地膜含有淀粉和纤维素等可降解物质，在自然条件下可以被微生物分解利用，最终降解为二氧化碳和水等小分子物质，可以避免污染土壤环境，且众多研究（白丽婷等，2010；Moreno et al.，2008）表明，覆盖生物降解地膜对小麦、番茄等作物生长及产量的影响与普通地膜没有差异，将其应用于烤烟作物时，作物产量高于普通地膜（王锡春等，2016；刘群等，2011）。因此，生物降解地膜代替普通地膜覆盖被认为是解决农田地膜残留污染的理想途径，在农业生产中有巨大潜力，在日本和欧洲，生物降解地膜在地膜市场的份额已经达10%左右（严昌荣等，2016）。

棉花作为新疆主要种植作物之一，2015年种植面积达 227.3万公顷（新疆维吾尔自治区统计局，2016），占全疆作物种植面积37.11%，覆盖地膜可以使棉花产量增加14.7%－20.4%（董合忠等，2011），覆膜率几乎达到100%，覆膜面积远远大于其他作物。因此，棉田地膜残留量远远大于其他作物，据调查，新疆棉田中每年有 18 kg·hm-2的地膜残留在土壤中，覆膜 20年后土壤中地膜平均残留量高达(259.1±36.78) kg·hm-2（梁志宏等，2012；严昌荣等，2008；严昌荣等，2014）。以往研究（王锡春，2016；刘群，2011；顾海蓉，2009）主要集中于通过对比生物降解地膜与普通PE地膜对棉花土壤温度，水分以及产量的影响，评价生物降解地膜的适应性，很少结合生物降解地膜本身的特性进行分析，不利于生物降解地膜的改进及推广。本研究通过连续两年定位试验研究生物降解膜覆盖对地膜田间降解情况、机械性能、土壤温度特征及对棉花产量的影响，结合生物地膜的经济效应判断生物降解膜在棉花生产中的适宜性，为新疆棉田可持续生态生产提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2015年和2016年连续两年在新疆石河子市农业科学研究院试验地（43°26′－45°20′N，84°58′－86°24′E）进行，试验区属于典型的温带大陆性气候，日照充沛，全年日照时数2074－2668 h，年平均气温约7 ℃，≥10 ℃的活动积温为3570－3729 ℃。无霜期 168－171 d，年均降水量 125－207.7 mm。土壤肥力基本情况：有机质14.93 g·kg-1，全氮 0.92 mg·kg-1，有效氮 64.3 mg·kg-1，速效磷 15.9 mg·kg-1，速效钾 138.2 mg·kg-1，pH 为 7.76。试验田土壤类型为灰漠土，土壤质地为中壤。

1.2 实验设计及材料

试验包括两个处理，每个处理3个重复，随机区组排列：（1）普通地膜处理（PE），地膜主要成分为PE（聚乙烯）；（2）生物降解地膜处理（BD），地膜主要成分为PBAT（聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯）。试验中棉花种植采用膜下滴灌技术，机械平作铺膜，地膜宽度为2.25 m，1膜3管6行，株距为9 cm，种植密度为1067 plant·hm-2左右。其他管理为大田常规管理。小区面积为32.5 m2（5 m×6.5 m）。供试棉花品种为“新陆早61号”。

1.3 测试项目及方法

（1）降解膜降解情况：采用目测法，在每个小区固定3个观测点，在覆膜后每隔一段时间于每条地膜宽行处相同位置放置相框（40 cm×40 cm）进行降解膜定时定点拍照，并记录地膜表面变化程度，如是否出现裂纹、碎裂程度等。降解地膜降解分级参照何文清（2011）的方法，通过目测观察记录地膜膜面外观变化：诱导阶段——开始出现小裂缝的时间阶段；破裂阶段——膜面出现大裂缝的时间段；崩裂阶段——地膜已经裂解成大碎片的时间段；完全降解阶段——地表几乎无地膜残留的时间。分别观察这4个阶段出现的时间，并记录。降解率采用像素分析法。

（2）地膜保水性能：分别于2015年，2016年6月进行，在水杯中装入等量的水，将每一种测试膜裁剪为大小相同的3份，将完整的地膜覆盖于水杯上，并封严，放置于无遮挡的屋顶，暴晒15 d后测定保水率Rwr。

式中，V1为暴晒15 d后水杯内水体积（mL）；V为水杯内原始水体积（mL）。

（3）地膜韧性：使用拉力机（XLW (B) 智能电子拉力试验机，中国）测定地膜韧性，2015年和2016年分别于覆膜后30 d、100 d和覆膜后43 d、73 d后取得同等大小覆盖地膜样品带回室内，通过取样刀分别获取横向地膜样品和纵向地膜样品并上机，分别测得地膜横向及纵向拉伸负荷和拉伸位移，并通过地膜拉伸位移计算断裂伸长率Re：

式中，Δl为地膜拉伸位移（mm）；l为原始长度（mm）。

（4）土壤温度：采用RC-4（中国）型土壤温度记录仪测定，于棉花播种完成后埋下仪器，棉花收获时取出。仪器探头埋设深度为10 m，每隔30 min自动记录1次数据，3次重复。

（5）棉花产量：以小区实收的籽棉产量折算亩[1亩=(1/15) hm2]籽棉产量。

（6）经济效益：总投入包括亩棉田花费的肥料、种子、农药、水电费、地膜、滴灌肥、捡拾棉花、耕地以及人工管理等费用；总产出为棉花产量乘以棉花单价；净收入为总产出减去总投入；产投比为产出与总投入之比。

1.4 数据分析

运用Microsoft Office Excel 2016进行数据整理，运用SPSS 20统计软件在0.05水平下进行配对t检验数据的显著性比较。并使用Origin Pro 2017作图软件对图1进行绘制。

2 结果与分析

2.1 生物降解地膜田间降解情况评价

生物降解地膜田间降解过程观察结果表明（表1），BD诱导阶段发生在覆膜后51－62 d，膜面有针眼大小的细孔及细微裂缝，出现降解现象，但膜面完整，仍具有良好的增温保墒效果。于覆膜后73 d左右进入破裂阶段，膜面较脆，出现大量裂纹，降解速度加快。覆膜后84－95 d，膜面出现大面积降解，裂解成大碎块，没有完整膜面，地膜基本功能丧失。至棉花收获，地表仍存在大小不一的地膜碎片，基本与地表相贴，不易分开。PE始终未发生裂解。BD各个裂解时期在两年间出现的时间差异不大，降解性能稳定。2015年BD和PE降解率分别为 84.34%和 0.15%，2016年分别为 72.08%和0.00%，2015年和2016年BD降解率分别比PE高84.19%和72.08%。

表1 2015-2016年生物降解地膜膜面降解情况Table 1 Degradation of biodegradable mulching film in 2015-2016

2.2 生物降解地膜田间机械性能变化

地膜拉伸负荷是指拉伸地膜至断裂时地膜试样所受到的最大拉伸力，地膜的断裂伸长率是指拉伸地膜至断裂时地膜试样位移值与原长的比值，两种指标均可表征地膜机械性能。由表 2可知，BD和PE在使用过程中，由于受到风吹、日晒等外界因素影响，其机械性能会受到自然损害，拉伸负荷和断裂伸长率均出现不同程度的下降。2015年及2016年覆膜期间，BD与PE横纵向拉伸负荷均有所下降但PE下降幅度较小，横纵向拉伸负荷两年平均分别下降0.4 N和0.5 N，而BD下降幅度显著高于PE，分别下降1.7 N和2.2 N。同样，随着地膜的使用地膜断裂伸长率也受到不同程度的影响，最后一次测定结果发现，PE横纵向拉伸负荷和断裂伸长率均明显优于 BD。整体而言，在棉花生育期中，由于BD自身具有降解性，地膜机械性能削弱较PE严重。

表2 2015—2016年生物降解地膜机械性能Table 2 Mechanical properties of biodegradable mulching film in 2015-2016

2.3 生物降解地膜的保水性

地膜的保水性能与地膜本身制作材料有关，一般而言，地膜的保水能力越强，土壤贮水能力越强，土壤水分含量越高。由于每年气候不同以及BD和PE的组成成分略有调整，地膜保水能力在年际间存在差异。由表3可知，2015年BD保水率比PE低22.45%，差异较显著（P=0.010＜0.05），2016年BD比PE低17.05%，差异不显著（P=0.139＞0.05）。总体而言，BD保水率低于PE，两年平均保水率比PE低了19.89%，差异较显著（P=0.003＜0.05），BD保水效果不如PE。

表3 2015-2016年生物降解地膜的保水性能Table 3 Water retention ability of biodegradable mulching film in 2015-2016

2.4 生物降解地膜棉花不同生育期内土壤温度变化

图1 2015-2016年棉花各生育期生物地膜覆盖下10 cm土层平均温度变化Fig. 1 Dynamic change in mean soil temperature of 10 cm depths with cotton growing under biodegradabled mulching treatments during cotton growth stages in 2015-2016

2015年和2016年棉花各生育期生物地膜覆盖下10 cm土层平均温度变化如图1所示。蕾期温度最高，苗期其次，吐絮期温度最低。2015年，在苗期，BD土壤温度较PE降低0.90 ℃，但温度差异不显著（P=0.140＞0.05）；在蕾期，BD土壤温度较PE降低0.73 ℃，温度差异不显著（P=0.117＞0.05）；在花铃期，BD土壤温度较PE高0.11 ℃，温度差异不显著（P=0.620＞0.05）；在吐絮期，BD土壤温度较PE增高0.74 ℃，温度差异不显著（P=0.112＞0.05）。2016年，在苗期，BD土壤温度较PE降低0.92 ℃，温度差异不显著（P=0.104＞0.05），在蕾期，BD土壤温度较PE降低0.06 ℃，温度差异不显著（P=0.839＞0.05），在花铃期，BD土壤温度较PE高0.59 ℃，温度差异不显著（P=0.107＞0.05），在吐絮期，BD土壤温度较PE高0.25 ℃，温度差异不显著（P=0.330＞0.05）。2015年和2016年在整个生育期内BD土壤温度分别较PE减少0.78 ℃，0.13 ℃。

2.5 生物降解地膜对棉花产量及产量构成的影响

两年研究表明（表4），BD覆盖下棉花株高、果枝台数、单株有效铃数及单铃重皆低于PE，导致棉花产量低于PE，2015年和2016年BD分别较PE地膜减产了 237.6 kg·hm-2、181.5 kg·hm-2，减产率分别为5.56%和4.15%，然而2015年BD棉花产量与PE没有明显差异（P=0.354＞0.05），2016年结果相似（P=0.080＞0.05）。两年平均减产 209.6 kg·hm-2，平均减产率为 4.86%，BD减产差异不显著（P=0.075＞0.05）。

2.6 地膜覆盖效益分析

生物降解地膜覆盖处理经济效益如表5所示，2015年和 2016年 BD产出分别较 PE低 999 yuan·hm-2和 1379 yuan·hm-2，BD 产出较 PE 平均减少1188 yuan·hm-2。2015年和2016年BD投入分别较 PE 增加 839 yuan·hm-2和 388 yuan·hm-2，BD投入较PE平均减少614 yuan·hm-2。主要是因为BD地膜成本高于普通地膜，且未将普通地膜回收成本计入PE处理投入。两年BD净收入均较PE减少，平均减少 1803 yuan·hm-2。2015年和 2016年 BD产投比分别比 PE低 0.08和 0.08，两年平均减少0.08。

3 讨论

不同生物降解地膜由于材料、厚度等因素不同导致地膜降解时期和降解速率略有不同（何文清等，2011；张妮等，2016；申丽霞等，2012；Briassouliset al.，2018）。本试验研究发现，由于天气差异和材料构成略有调整，BD在两年降解时间有所差异但整体相差不大，在覆膜51－62 d开始降解，73 d左右出现大裂缝，之后快速裂解成为大碎片，BD降解性能稳定。2015年和 2016年降解率分别为84.34%和72.08%，降解率较高，至试验结束有少量残留，但剩余的生物降解地膜可被土壤微生物分解，2 a内可完全分解（顾海蓉等，2009；袁海涛等，2017）。生物降解地膜降解速率与土壤含水率呈负相关关系，且在各生育期呈显著水平（龚双凤等，2015），本试验BD在棉花苗期未降解，能够保持其完整性，有利于土壤温度积累及正常水分供应，确保棉花正常生长，但由于生物降解地膜的保水效果不如普通地膜，作物生长时期土壤含水量会低于普通地膜，从而导致棉花减产。

表4 2015-2016年生物降解地膜处理下棉花产量与产量构成因素变化Table 4 Effect on yield and relevant factors of cotton under biodegradable film treatments in 2015-2016

表5 2015-2016年不同处理经济效益分析Table 5 Economic benefit analysis for different treatments in 2015-2016

土壤温度作为影响棉花生长发育及产量的重要因素（高云光等，2010），在生物降解地膜与普通地膜覆盖对作物生长影响的研究中已被广泛报道。研究发现，生物降解地膜土壤温度在棉花生育前期低于普通地膜，但随着作物生长发育，两者之间差异减小（邬强，2017），与本研究结果相似。结果表明，土壤温度在蕾期温度最高，苗期次之，吐絮期温度最低，这主要受气温及作物生长发育状况影响。苗期和蕾期BD土壤温度较PE分别降低0.91 ℃和0.39 ℃，在花铃期和吐絮期，BD土壤温度较PE分别提高0.35 ℃和0.50 ℃。在作物生长过程中，棉花苗期虽然膜面完整，但由于生物降解地膜具有降解特性，保温效果不如普通地膜，蕾期气温增高，但生物降解地膜开始降解，地膜透射率低于普通地膜，增温保温保水效果均不如普通地膜（张妮等，2016），但温度差异小于苗期，可能是由于棉花植株生长影响太阳光线直射膜面，两个处理增温效应均被削弱，但由于普通地膜本身增温效果更为显著，其所受到的削弱作用较生物降解地膜更明显，所以两个处理温度差异减小。花铃期和吐絮期差异较小，主要是因为这个时期棉花封行，地膜基本作用丧失，温度差异越来越小。本研究中，虽然BD苗期和蕾期土壤温度高于PE，花铃期和吐絮期土壤温度低于PE，但各个时期两者间并没有显著性差异。然而，由于棉花属于喜温作物，在 2015年和2016年，苗期、蕾期两个生育时期BD土壤积温分别较PE高99.43 ℃和59.86 ℃，由于苗期和蕾期两个作物生长的关键时期BD土壤积温较低，影响了作物生长发育，以至于后期棉花产量也受到影响，作物生长发育前期积温差异越小，产量差异越小。

生物降解地膜价格是造成投入成本增加的主要原因，因此，生物降解地膜大面积推广使用仍需对其价格不断进行优化。由于本研究普通地膜被研究人员回收，遂未将人工回收费用计入投入成本，忽略了普通地膜大田机械回收成本，所以，BD与PE实际投入成本差异应小于 613.5 yuan·hm-2。而BD既满足作物生长发育需要，又可降解，无需人工和机械回收，不会产生回收费用，使用BD不仅有利于避免因普通地膜残留累积造成棉花减产效应，而且降低残膜在土壤中堆积而造成的耕作难度，减少后期为治理残膜污染所造成的资金投入。由于生物降解地膜的不断改进，2015和2016年PE和BD产量差异不断减小，净收入差异不断缩小。随着对生物降解地膜的不断研发，其价格会不断被优化，经济成本投入减少，具有广阔的应用前景（邬强等，2017；张景俊等，2018）。